粉煤灰掺量对C45自密实混凝土强度的影响

魏江涛，谢帮华，李秋香，赵江倩，宋广春，章 攀

(南昌工程学院 1.土木与建筑工程学院；2.瑶湖学院，江西 南昌 330099)

自密实混凝土具有良好的流动性和自密实性，粉煤灰的掺入可以改善混凝土的和易性，降低水化热，直接影响混凝土的力学性能和经济指标。在装配式建筑结构中，粉煤灰在自密实混凝土中的应用尤为重要。

韩宏伟[1]等人研究低水胶比的自密实混凝土发现，粉煤灰可以有效减少混凝土由于塑性收缩而产生的裂缝改善强度。周玲珠[2]等人研究粉煤灰对自密实混凝土性能影响发现，随着粉煤灰掺量增加，混凝土早期抗压强度增长缓慢，而随着龄期增加，由于粉煤灰化学反应缓慢，提高了混凝土后期强度。胶凝材料硬化产生的水化热会使混凝土内外温差增大，粉煤灰的掺入可以有效降低混凝土水化热，在14d龄期，混凝土水化热较纯水泥混凝土减少30%左右，28d龄期时减少10%左右[3]。黄维蓉[4]等人在研究粉煤灰对C30自密实混凝土的影响时发现，粉煤灰的掺入可以提高自密实混凝土的流动性，同时粉煤灰可以提高自密实混凝土强度，而普通混凝土中掺入粉煤灰则会使强度降低。蔡升宇[5]等研究30%～60%掺量的粉煤灰发现，由于粉煤灰的微集料效应，随着粉煤灰掺入量的增加，混凝土总开裂面积有效降低。焦庭林[6]等发现在自密实混凝土中掺入20kg，40kg，60kg(33%)粉煤灰时，混凝土的抗压强度依然随养护龄期增加逐渐增强。李十泉[7]等通过电镜扫描解释了随着粉煤灰掺入量的增加混凝土抗压强度下降的主要原因，即大量掺入粉煤灰会削弱MKP晶体之间的联系。史星祥[8]等通过掺入10%～50%粉煤灰，发现当粉煤灰掺量小于40%时，混凝土流动性随着粉煤灰掺量的增加而增加，当粉煤灰会掺量超过40%时，混凝土黏聚性增加。李国荣[9]等研究表明粉煤灰掺量在25%以上时，混凝土抗压强度降低，混凝土的抗冻性能也随粉煤灰的掺量发生改变，实际工程应用时要求合理控制粉煤灰的掺入量。曹健[10-11]等研究了高掺粉煤灰时混凝土的抗压强度随龄期的变化情况，强度增长趋于平缓，弹性模量的变化也较平缓，掺入0%，15%，30%的粉煤灰时，混凝土徐变随着粉煤灰掺量的增加而减小。

采用粉煤灰改善混凝土强度的研究还有很多，而自密实混凝土方面的报道较少，特别是粉煤灰掺量较高时，研究较少。本文在控制C45混凝土强度基础上，研究粉煤灰掺入量在0%～40%时，C45自密实混凝土的抗压强度，从而得出C45自密实混凝土抗压强度指标最优的粉煤灰掺量。

1 试验材料及方法

1.1 实验材料

水泥采用江西南昌海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用江西新余Ⅱ级粉煤灰；粗骨料采用江西南昌本地碎石，细石粒径在4.75～9.5mm之间，级配合格；砂为江西南昌本地河砂，经测试细度模数为2.1；减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率26%；试验用水为自来水。

1.2 试验方法

C45自密实混凝土的配合比按照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配置，水灰比为0.35，聚羧酸减水剂用量为1%，如表1所示。自密实混凝土强度测定采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，共制备9组试样。根据相关规范，评判混凝土强度等级时应以边长为150 mm的立方体试件的强度为依据，故在进行强度计算时，自密实混凝土实测抗压强度需乘以系数0.95。依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用万能试验机对混凝土进行抗压试验，如图1所示。分别测定自密实混凝土龄期为3d，7d，14d，28d，60d时的抗压强度，并对试验数据进行分析。

图1 混凝土抗压破坏试验设备及试验实况

表1 自密实混凝土配合比

2 结果与讨论

粉煤灰具备球状颗粒特性，表面光滑，在普通混凝土中应用广泛。自密实混凝土中掺入粉煤灰，可以有效地提高混凝土的流动性。实验表明，自密实混凝土的流动性随着粉煤灰掺入量的增加，流动性增大。普通C45混凝土28d抗压强度为45MPa，养护龄期3d，7d，14d时的抗压强度分别为14.8MPa，26.3MPa和35.6MPa。掺粉煤灰C45自密实混凝土3d，7d，14d的抗压强度最大值分别达到38.7MPa，44.7MPa和44.9MPa，相较于普通混凝土分别增长161.5%，70%和22.1%。按照150mm×150mm×150mm标注试块折算，C45自密实混凝土抗压强度，如表2所示。

表2 C45自密实混凝土抗压强度 MPa

2.1 不同龄期，粉煤灰掺量对自密实混凝土抗压强度的影响

众所周知，混凝土的孔隙率直接影响到混凝土的强度，粉煤灰掺入自密实混凝土，可以降低自密实混凝土的孔隙率，使水泥基体更密实。如图2所示，粉煤灰对自密实混凝土各龄期的强度影响比较明显，随着粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土强度呈现先增后减的趋势，掺入20%的粉煤灰时，自密实混凝土7d强度达到44.7MPa，达到了C45混凝土28d强度的99.3%；60d强度高达60MPa。

图2 不同龄期混凝土抗压强度随粉煤灰掺量的变化

图2(a)中表明养护3 d时，自密实混凝土强度随粉煤灰掺量的增加而降低，主要因为自密实混凝土3 d的水化产物数量随着粉煤灰取代水泥的量不断增加而减少，二次水化作用不明显。自密实混凝土养护龄期为7 d和14 d时，如图2(b)～(c)，粉煤灰掺量小于20%时，自密实混凝土强度的影响较小；粉煤灰掺量大于20%时混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量增加而呈下降趋势。自密实混凝土养护28 d时，掺入20%粉煤灰自密实混凝土的抗压强度最大，相较于不掺粉煤灰，其抗压强度增加14.8%，且粉煤灰掺量α=10%～30%时，其抗压强度相较于不掺入粉煤灰时混凝土抗压强度分别增长2.5%，10.1%，13.8%和7.3%，均达到45MPa。粉煤灰掺入为35%，40%时，混凝土的抗压强度分别降低1.8%，11.3%。主要因为大量掺入粉煤灰，降低了水泥含量，胶凝材料减少较大，且粉煤灰活性较低，水化反应较缓慢。如图2(d)所示，粉煤灰掺量为20%～25%时，C45自密实混凝土28d抗压强度较大，粉煤灰掺量最优。随着粉煤灰充分发生二次水化反应，自密实混凝土60d强度，掺入量α=5%～35%时，相比未掺粉煤灰自密实混凝土抗压强度分别增长15.7%，23.6%，28%，31%，32.7%，31.1%，22.0%，如图2(e)；在粉煤灰掺入为40%时，自密实混凝土抗压强度达到45.5MPa，其抗压强度基本和未掺粉煤灰时的试块强度一致。考虑自密实混凝土的强度和经济指标，C45自密实混凝土粉煤灰的掺入可以选择40%。

2.2 不同粉煤灰掺量，自密实混凝土抗压强度与养护龄期的关系

如图3所示，自密实混凝土养护3d～7d之间强度增长最快，28d～60d之间强度增长较小。随着养护时间增加，粉煤灰的微集料效应以及粉煤灰与水泥、水等进行反应，混凝土试块的抗压强度增加，在粉煤灰掺量为25%时，其60d强度达到最佳；随着养护时间的增加，自密实混凝土抗压强度在14d到60d时增长较明显，因为混凝土中氢氧根离子随着水泥水化逐渐增加，粉煤灰得到充分反应，同时粉煤灰颗粒在混凝土内进行填充，进而在化学和物理性能上增强了混凝土后期强度。

图3 不同粉煤灰掺量，混凝土抗压强度—龄期变化折线图 图4 掺粉煤灰C45自密实混凝土龄期强度模型

众所周知，混凝土的抗压强度随着养护龄期的增长而不断升高，且普通混凝土强度与养护龄期呈指数函数关系[12]：

(1)

其中n为养护龄期；fcc，n为普通混凝土养护nd时混凝土抗压强度；fcc，28为混凝土养护28 d时抗压强度；lgn，lg 28分别表示以10为底的对数。

如图4所示，掺粉煤灰的C45自密实混凝土随养护龄期的增加，其强度整体呈增长趋势，且增长明显。对试验结果进行拟合分析，拟合度为0.99，掺入粉煤灰C45自密实混凝土的强度模型可表示为

(2)

其中n为养护龄期fcc，n为混凝土养护nd时混凝土抗压强度；fcc，3为混凝土养护3d时混凝土抗压强度；lgn，lg 28分别表示以10为底的对数。由式(2)可知，测定掺粉煤灰C45自密实混凝土3 d的强度值，可以有效地预测其它龄期的强度值。

从混凝土龄期与抗压强度关系图可以发现，随着龄期增加，混凝土抗压强度整体呈增长趋势。当自密实混凝土未掺入粉煤灰时，随着龄期增加，抗压强度增长速度缓慢，主要由于水泥作为胶凝材料提供混凝土抗压强度，随着养护时间的增加，抗压强度增长不明显；如图3，当粉煤灰掺入5%～40%时，混凝土的抗压强度随龄期增加而逐渐增加；在掺入25%粉煤灰时，养护3 d，混凝土抗压强度相较于不掺入粉煤灰的混凝土强度增长-13.3%，随着龄期继续增加，在7d，14d，28d，60d时，相较于不掺入粉煤灰时混凝土的抗压强度增长-2.3%，2.2%，13.8%和32.7%，主要由于粉煤灰发生二次水化反应产生强度较强的C-S-H凝胶，同时粉煤灰粒径小，含有大量玻璃微珠，可以减少混凝土的用水量，提高混凝土的致密性，并且粉煤灰的掺入可以有效提高自密实混凝土的自密实性，改善混凝土的结构，从而提高混凝土后期强度，则掺入粉煤灰时，随着混凝土养护龄期增加，自密实混凝土抗压强度呈增长趋势。

3 结论

当水胶比为0.35时，粉煤灰能较好地改善自密实混凝土强度，各龄期强度变化明显，且能有效地降低自密实混凝土的经济指标。C45自密实混凝土抗压强度的研究，主要得到以下结论：

(1)掺入20%的粉煤灰，C45自密实混凝土7 d强度达到44.7 MPa，60 d强度高达60 MPa；掺入量为25%时，60 d抗压强度最高，为61.8 MPa。

(2)粉煤灰掺量为25%时，粉煤灰取代水泥的效果最佳；结合自密实混凝土的力学指标和经济指标时，粉煤灰经济掺入量为40%。

(3)掺入粉煤灰时，C45自密实混凝土的强度模型可用式(2)表示。